Ионизационный метод
Ионизационный метод основан на способности ионизирующего излучения вызывать ионизацию среды. Если взять какое-либо непроводящее электрический ток вещество и поместить его в поле действия ионизирующего излучения, то при взаимодействии излучения с веществом часть энергии передается атомам и молекулам этого вещества и расходуется на их ионизацию. В веществе появляются положительно и отрицательно заряженные ионы. При отсутствии электрического поля ионы рекомбинируют между собой и в результате в веществе устанавливается равновесная концентрация ионных пар (равенство скоростей ионизации и рекомбинации при постоянной интенсивности излучения).
Если к веществу приложить разность потенциалов, то в нем возникает электрическое поле, под действием которого положительные ионы перемещаются к отрицательному электроду, а отрицательные — к положительному электроду. В результате этого в цепи возникает электрический ток. При определенных условиях сила тока пропорциональна интенсивности излучения, воздействующего на вещество.
Рис. 7.2. Простейшая схема ионизационного детектора
Ионизационные детекторы по конструкции подобны конденсаторам, то есть имеют два электрода, разделенные диэлектриком. В качестве диэлектрика обычно используют газ или смесь газов.
На ион зарядом е в электрическом поле напряженностью E действует сила, равная произведению е . E. Под действием этой силы ионы движутся к электродам, причем скорость их движения пропорциональна напряженности электрического поля. При достаточно большой напряженности скорость перемещения электронов (как более легких частиц) может возрасти настолько, что электрон на длине свободного пробега (от столкновения до столкновения) разгоняется до энергии, превышающей потенциал ионизации атомов и молекул газа. Неупругие столкновения с таким электроном приводят к ионизации атомов и молекул. Этот процесс, названный ударной ионизацией, увеличивает число пар ионов, образующихся в газе, и является механизмом газового усиления ионизационного эффекта регистрируемого излучения.
Все ионизационные детекторы делятся на:
— ионизационные камеры — детекторы с низким значением напряженности электрического поля в чувствительном объеме, недостаточном для возникновения ударной ионизации,
— газоразрядные счетчики — детекторы с высоким значением напряженности электрического поля, использующие механизм газового усиления.
Одной из важнейших характеристик ионизационного детектора является вольтамперная характеристика (зависимость ионизационного тока от напряжения на электродах при неизменной интенсивности излучения).
Рис. 7.3. Обобщенная вольт-амперная характеристика ионизационного детектора.
I — область Ома,
II — область ионизационных камер,
III — область газоразрядных счетчиков (область газового усиления)
Область Ома.
В присутствии источника излучения в газе детектора, наряду с ионизацией, протекает рекомбинация. При небольших напряжениях, приложенных к электродам детектора, лишь малая часть зарядов достигает их, а остальные рекомбинируют. С увеличением напряжения возрастает скорость движения зарядов, уменьшается вероятность рекомбинации, все больше зарядов доходит до электродов и ионизационный ток растет пропорционально напряжению
Область ионизационных камер.
По мере увеличения напряжения на электродах ток растет, и, наконец, разность потенциалов достигает такой величины, при которой практически все ионы, образованные в чувствительном объеме детектора, достигают электродов. Дальнейшее увеличение разности потенциалов не вызывает роста тока через детектор. В вольтамперной характеристике наблюдается плато, а ток через детектор в этом случае принято называть током насыщения.
Область газоразрядных счетчиков (область ударной ионизации).
С увеличением напряженности электрического поля скорость дрейфа ионов будет возрастать. При достижении определенной разности потенциалов кинетическая энергия ускоренных в электрическом поле электронов на участке между двумя соударениями достигает величины, при которой электрон сможет вызвать ионизацию нейтрального атома. Вновь образованные электроны также будут ускоряться в электрическом поле и производить ионизацию атомов, таким образом возникает лавинообразный процесс.
Область ударной ионизации имеет несколько подобластей , которые подробно будут рассмотрены далее.
Ионизационные детекторы, работающие в области Π (ионизационные камеры), регистрируют суммарную ионизацию и используются для измерения энергии, переданной облучаемому веществу. Ионизационные детекторы, работающие в области Ш (газоразрядные счетчики) используются в основном для определения количества радиоактивных веществ